Подготовка у универсиаде 2012 / Генетика (Жимулев) / 4ver7

Глава 4. Изменчивость наследственного материала

Различают два вида изменчивости: наследственнуюиненаследственную.Первая имеет отношение к изменениям в наследственном материале, вторая - является результатом реагирования организма на условия окружающей среды.

Наследственную изменчивость подразделяют на мутационную и комбинативную.Первопричиноймутационной изменчивости являются мутации. Их можно определить как наследуемые изменения генетического материала. Изменчивость, вызываемаярасщеплениемиперекомбинацией мутаций, и обусловленная тем, что гены существуют в разных аллельных состояниях, называетсякомбинативной.

4.1. Мутационная теория и классификации мутаций

Мутационнаятеориязародиласьвначале 20-го века в работах Г. де Фриза (1901-1903). По де Фризу, мутация - это скачкообразное, прерывистое изменение наследственного признака.СутьмутационнойтеориидеФриза сводится к следующим положениям:

1.Мутация возникает скачком, без переходов.

2.Новыеформыконстантны.

3.Мутация является качественным изменением.

4.Мутации разнонаправлены (полезные и вредные).

5.Выявляемостьмутацийзависитотразмеров выборкиизучаемыхорганизмов.

6.Одни и те же мутации могут возникать

повторно.

Эти положения мутационной теории де Фризасохранилисвоезначениедонашихдней.

Мутационные изменения чрезвычайно разнообразны. Они могут затрагивать буквально все морфологические, физиологические и биохимические признаки организма, могут вызывать резкие или, наоборот, едва заметные фенотипические отклонения от нормы (Рис. 4.1).

Известно много принципов классификации мутаций. Фактически все авторы отмечают, что очень трудно создать хорошую классификацию мутаций, и чтовсе существующие классификации очень схематичны (см. детали у М.Е. Лобашева, 1967, стр. 285-315, и у С.Г. Инге-Вечтомова, 1989, стр. 290-369).

Мутацииможноклассифицировать:

I. По характеру изменений генотипа:

1.Генные мутации или точечные.

2.Изменения структуры хромосом или хромосомные перестройки.

3.Изменения числа наборов хромосом.

II. По характеру изменения фенотипа:

1.Летальные.

2.Морфологические.

3.Физиологические.

4.Биохимические.

5.Поведенческие.

III. По проявлению в гетерозиготе:

1.Доминантные.

2.Рецессивные.

IV. По способу индукции:

1.Спонтанные, т.е. возникающие без видимых причин или усилий со стороны экспериментатора. Обычно спонтанными называютмутации,причинавозникновения которых неизвестна.

2.Индуцированные, т.е. возникшие в

результате какого-то воздействия.

V.По степени отклонения от нормального фенотипа:

В 1932 году Г. Меллер предложил классифицировать мутации на следующие типы категорий: гипоморфные, аморфные, антиморфные,неоморфныеигиперморфные.

VI. По локализации в клетке:

1.Ядерные.

2.Цитоплазматические (мутации внеядерных генов).

VII. По возможности наследования:

1.Генеративные, т.е. индуцированные в половых клетках.

2.Соматические, индуцированные в соматических клетках

Различают также мутации прямые и

обратные.

4.1.1. Закон гомологических рядов наследственной изменчивости Н.И. Вавилова

Первым наиболее серьезным исследованием мутаций была работа Н.И. Вавилова по установлению параллелизма в наследственной изменчивости у видов растений,принадлежащихблизкимтаксонам.

На базе обширных исследований морфологииразличныхрасрастительногомира Вавилов в 1920 году пришел к выводу, что несмотря на резко выраженное разнообразие (полиморфизм)многихвидов,можнозаметить ряд закономерностей в изменчивости этих видов. Если взять для примера семейство злаковирассмотретьварьированиенекоторых признаков, оказывается, что одинаковые отклоненияприсущивсемвидам(см.Табл.4.1) В данной таблице представлена очень незначительнаячастьданныхВавилова,легших в основу формулирования закона гомологических рядов в наследственной

изменчивости,однакоиэтиданныепозволяют увидеть, что варьирование морфологии идет параллельно у разных видов. Чем ближе таксономическирассматриваемыеорганизмы, тем большее сходство наблюдается в спектре ихизменчивости.

Закон Вавилова гласит: “Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивостистакойправильностью,что,зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидетьнахождениепараллельныхформу другихвидовиродов.Чемближегенетически расположены в общей системе роды и линнеоны (т.е. виды), тем полнее сходство в рядах их изменчивости.” Свой закон Н.И. Вавиловвыразилформулой:

G (a+b+c.......)

G (à+b+ñ.......)

G! (à+b+ñ.......), ãäå

G , G , G!, - обозначение видов, а a, b, c - различныеварьирующиепризнаки.

Закон Вавилова имеет большое теоретическое значение, поскольку из гомологии наследственных изменений у близких видов выводит и гомологию их генов.Дляселекционнойпрактикиэтотзакон важен потому, что прогнозирует возможность нахождения неизвестных форм растений у данного вида, если они уже известны у других видов.

Н.И. Вавилов положил закон гомологических рядов в наследственной изменчивости в основу поиска новых форм растений. Под его руководством были организованы многочисленные экспедиции по всему миру. Из разных стран были привезены сотни тысяч образцов семян культурных растений, составившие основу коллеций Всесоюзного института растениеводства (ВИРа). Мутантные линии являются важнейшим исходным материалом при создании сотов культурных растений.

4.1.2. Классификация мутаций Г. Меллера

По степени отклонения мутаций от нормального фенотипа Меллер предложил выделить, как уже отмечалось выше, гипоморфные, аморфные, антиморфные, неоморфные и гиперморфные мутации. Рассмотримэтуклассификацию.

Гипоморфные мутациидействуютвтом женаправлении,чтоигендикоготипа,нодают ослабленный эффект. Например, особи с двумя летальными мутациями в гомозиготе выживают,ногемизиготыгибнут.Увеличение дозы гипоморфной мутации ведет к восстановлению признака дикого типа. Гипоморфные мутации we (white eozine) в одной или двух дозах имеют мутантный фенотип,втрех-почтинормальный.

w e < w e w e < w e w e w e

Мутантный Почти дикий тип

Аморфные мутации не влияют на изменение фенотипа в зависимости от дозы. Такие мутации выглядят как потеря гена. Характерным примером является апоморфная мутация w. Мутанты демонстрируютчеткийфенотип,независимо от дозы мутантного аллеля и внешних условий. Фенотип - белые глаза - обусловлен полной потерей функции гена w - транспорта пигмента в клетки глаза.

Антиморфные мутации оказывают действие, противоположное дикому типу. Например, у кукурузы - ген A (дикий тип) обеспечивает пурпурный цвет растений и семян из-за наличия антоциана. Его слабый аллель Abr - (слабая пурпурная окраска), действует как гипоморф, смещая окраску в направлении к дикому типу. Аллель ap - действует в направлении противоположном из-за формирования бурой окраски и блокирования образования антоцианов. Аморфный аллель a контролирует только формирование бурой окраски.

Неоморфные мутации - такие мутации, действие которых совершенно отлично от дикого типа. Например, мутация Antp у дрозофилы приводит к формированию ноги на голове - на месте антенны.

Гиперморфные мутации - у этих мутантов количество биохимического продукта под влиянием мутации резко увеличивается.

w + w e w re

темнокрасный глаз цвета красный

глаз эозина êëàç

4.1.3. Генеративные и соматические мутации

Мутации могут возникать в любой клетке многоклеточного организма. Те из них, которые возникают в клетках зародышевого пути, называются генеративными. Мутации, возникаюшие в других клетках, называют соматическими.

Генеративная мутация может возникнутьналюбомэтаперазвитияполовых клеток. Если такая мутация возникает на ранних стадиях развития клеток зародышевого пути, она размножится во многих клетках, число которых будет пропорционально числу клеточных делений после возникновения мутации. В результате эта мутация будет представлена многими копиями, которые в совокупности называют пучком мутаций. Мутации, возникшие на последних этапах развития половых клеток, в сперматозоидах и яйцеклетках, только в этих клетках и представлены. Проявление мутантногофенотипасоматическихмутаций также сильно зависит от стадии, на которой произошла мутация. Чем раньше мутация возникает, тем больше клеток ее несут.

Соматические и генеративные мутации различаются главным образом возможностью наследования: генеративные всегда передаются по наследству. У соматических мутаций две судьбы:

а) Если организм размножается исключительно половым путем и клетки зародышевого пути уже на ранних этапах развития обособляются от соматических,

соматические мутации не играют никакой роли в наследственности.

б) Другое дело, если организм может размножаться бесполым путем, например, картофель. В этом случае мутации могут передаваться потомству, полученному вегетативным путем

Для растений, у которых из соматических клеток впоследствии развивается почка, дающая цветок, соматические мутации имеют огромное значение. Соматические мутации могут вызывать злокачественные опухоли у человека и животных.

Не исключено, что соматические мутации имеют отношение к процессам старения, т.к. с возрастомможет происходить накоплениефизиологическихмутаций.

4.1.4. Прямые и обратные мутации

Обычно мутации, вызывающие измененияотдикоготипакновому,называют прямыми, а от мутантного к дикому - обратными.

Прямыеиобратныемутациивозникают с разной частотой. Например, аморфные мутации не дают реверсий к норме. Такие мутации, возможно, связаны с потерей гена. Возникновение обратных мутаций свидетельствует о том, что при прямом мутировании ген не потерян, а произошло лишь его изменение.

4.1.5. Плейотропный эффект мутаций

Большинствомутацийзатрагиваетвтой илиинойстепениразвитиемногихпризнаков. Такое множественное проявление мутации носит название плейотропии. Плейотропное проявление мутаций характерно для огромного большинства генов. Это легко обьяснимо, т.к. продукт фактически каждого гена используется чаще всего в нескольких, а иногда в очень многих или даже во всех переплетающихся друг с другом процессах роста и развития.

Так, у людей, страдающих арахнодактилией, вызываемой доминантной мутацией, очень изменены пальцы рук и ног, и в то же время наблюдаются вывихи хрусталика глаза и врожденные пороки сердца.

Такое заболевание как галактоземия ведет к слабоумию, циррозу печени и слепоте. Эти симптомы вызваны рецессивной мутацией гена, кодирующего галактозо-1-фосфатуридилтрансферазу - один из ферментов, необходимых для усвоения клетками молочного сахара. Предупредить развитие патологических признаков можно, если больного галактоземией младенца сразу же перевести на искусственную диету, не содержащую молочного сахара, накопление которого в крови действует отравляюще.

У крыс описано плейотропное проявление летальной мутации, приводящей к различным патологическим изменениям у крысят (Рис. 4.2) Среди них: сужение просвета трахей, утолщение ребер, хроническое кислородное голодание, затруднение кровообращения в легких,

Рисунок 4.2

Ненормальное развитие хрящей

Плейотропное проявление одной из летальных мутаций у крысы (Из: Гершензон, 1983, стр. 394).

ненормальное положение зубов, невозможность сосания молока, смерть. На первый взгляд, большинство этих изменений не имеют ничего общего друг с другом. Однако, как выяснилось, все они являются следствиемоднойитойжепричины-мутация нарушиларазвитиехрящей.

4.1.6. Экспрессивность и пенетрантность мутаций

Оба понятия были введены в 1927 году Н.В. Тимофеевым-Ресовским для описания варьированиямутантныхфенотипов.

Способность мутации проявляться в фенотипе называют пенетрантностью. Мерилом пенетрантности служит доля особей, гетерозиготных или гомозиготных по определенной доминантной или, соответственно, рецессивной мутации, у которых эта мутация проявилась. Например, 100% пенетрантность рецессивной мутации a означает, что все особи a/a имеют фенотипическое проявление этой мутации. Еслижефенотипическоепроявлениемутации a обнаруживается только у половины особей a/a, а у второй половины фенотип соответствует нормальному, наблюдаемому у гетерозигот Aa или гомозигот AA, можно считать, что мутация характеризуется 50% пенетрантностью.

Степень проявления варьирующего мутантного признака называется экспрессивностью мутации. Например, мутация eyeless y дрозофилы вызывает редукцию глаза. Степень редукции не одинакова у разных особей (Рис. 4.3).

Рисунок 4.3

à á â ã ä

Изменчивое выражение гена eyeless у дрозофилы. a - нормальный глаз, б - д - различная степень редукции глаза у мутантов (Из: Гершензон, 1983, стр. 411).

4.1.7. Множественные аллели

До сих пор мы рассматривали только два состояния гена: доминантное A и мутантное рецессивное a. На самом же деле один и тот же ген может мутировать во множество состояний, до нескольких десятков и более. Например, у дрозофилы известно около 150 мутаций гена vermilion и около 350 мутаций гена white. При этомвсе мутации v имеют не совсем одинаковый фенотип. Фенотипы мутантов гена white варьируют в очень широких пределах: от нормального красного цвета глаз до полного отсутствия пигмента, т.е. полностью белых (Табл. 4.2).

Разныемутацииодногоитогожелокуса называют серией множественных аллелей, а само явление - множественным аллелизмом.

Таблица 4.2

Варьирование цвета глаз у мутантов по гену white дрозофилы.

Генотип, гетерозиготныйподвуммутантным аллелям (a /a ) одного и того же локуса называют компаундом.

Членысериимножественныхаллелейне только по-разному определяют развитие признаков, но и вступают в разные доминантно-рецессивные отношения друг с другом.

4.1.8.Условные мутации

Âряде случаев мутантный фенотип становитсявидимымтолькопривыполнении определенных условий.

Температурно-чувствительные мутации. Мутанты этого типа живут и развиваются нормально при одной (пермиссивной) температуре и проявляют отклонения при другой (рестриктивной). Например, мутация shi у дрозофилы. При 250C мутанты не проявляют каких-либо дефектов, при 290С - у них наступает полный паралич. Полагают, что в результате мутации происходитзаменааминокислотывмолекуле белка, однако при одной температуре эта замена на конформации молекулы не сказывается. При другой температуре конформация белка меняется, и он не выполняет нормальных функций. Выделяют холодо-чувствительные (180C) ts (temperature sensitive) мутации и теплочувствительные (290C) ts-мутации. При 250С как правило сохраняется нормальный фенотип.

Мутации чувствительности к стрессу. В данном случае мутанты развиваются и внешне выглядят нормально, если их не подвергнуть каким-либо стрессирующим воздействиям. Так, мутанты sesB (stress-sensitive) у дрозофилы не проявляют каких-либо отклонений. Если резковстряхнутьпробирку,умухначинаются судороги и они неспособны двигаться.

Ауксотрофные мутации. Обычно бактерий высевают на чашки Петри, содержащие полную среду, в состав которой входят все необходимые питательные вещества, нужные для роста. Есть еще минимальнаясреда,состоящаяизагара,воды,

сахара и солей. Нормальные бактерии способны сами синтезировать необходимые им сложные органические соединения (витамины, аминокислоты, нуклеотиды) и могут жить на минимальной среде, а некоторые мутантные - не могут. Таких мутантов называют ауксотрофными. Они выживают только на полной или же на минимальной, но с добавкой нормального продукта того гена, который в данной линии мутировал.

4.2. Спонтанные и индуцированные мутации

4.2.1. Методы учета мутаций

Для учета частот возникновения или выявления мутаций используют различные методические приемы. Первые методы были предложены Г. Меллером для определения частот образования мутаций у дрозофилы.

Метод ClB. Наиболее объективно можно учитывать частоту возникновения рецессивныхлетальныхмутаций,приводящих в гомозиготном состоянии к смерти несущих ихособей.ГенетическаяструктуралинииClB характеризуется тем, что одна из Х- хромосом маркирована доминантным геном Bar (B) и инверсией, названной С. Эта инверсия препятствует кроссинговеру и обладает рецессивным летальным эффектом - l. По этому линия и названа - ClB. Самок из этой линии-анализатора скрещивают с самцами из исследуемой выборки. Если самцы взяты из природной популяции, то можно оценить частоту леталей в данной популяции. Или же берут самцов, обработанных мутагеном. В этом случае оценивается частота летальных мутаций, вызванных этим мутагеном. В F1 отбирают самокClB/+,гетерозиготныхпомутации Bar, и скрещивают индивидуально (в отдельной пробирке) с самцом. Если в проверяемой хромосоме нет мутации, то в потомстве будет два класса самок и один класс самцов (B+), поскольку самцы ClB гибнут из-за наличия летали l, т.е. общее расщепление по полу будет 2:1 (Рис. 4.4а).

класс Cy+ L+ (Рис. 4.5а). Если в испытуемой хромосоме произошла летальная мутация, в потомстве от последнего скрещивания будут только мухи Cy L (Рис. 4.5б). С помощью такого метода можно учитывать частоту рецессивных летальных мутаций во второй хромосоме дрозофилы.

Учет мутаций у микроорганизмов. Использование микроорганизов очень удобно из-за того, все гены у них в гаплоидном числе, и мутации проявляются уже в первом поколении. Кроме того, каждая клетка на плотной среде может образовать отдельную колонию, представляющую собой клон идентичных клеток.

Если получают мутации, дающие селективное преимущество, то мутантов легко выявить методом отпечатков или реплик, предложенным Э. и Дж. Ледербергами (Рис. 4.6).

Для выявления мутаций устойчивости E. coli к бактериофагу Т1 клетки бактерий (мутанты TonS) высевают на агаризованную среду в чашки Петри таким образом, чтобы на них образовались отдельные колонии. Затем при помощи бархатной печатки эти колонии перепечатывают на чашки с нанесенной суспензией частиц фага Т1. Большая часть клеток исходной чувствительной (TonS) культуры не будет образовывать колоний, поскольку их лизирует бактериофаг. Вырастут лишь отдельные мутантные колонии (Tonr),

Рисунок 4.6

Метод отпечатков для обнаружения мутантов у бактерий устойчивых к фагу T1: 1 - получение отпечатка колоний на бархате, 2 - перепечатка на среду, 3 - инкубация отпечатка. Растущие колонии - черные.

устойчивые к фагу. Подсчитывая число колонийвконтрольномиопытном(например, после облучения ультрафиолетовым светом) вариантах, легко определить частоту индуцированныхмутаций.

4.2.2.Спонтанные мутации

Âлюбойпопуляцииживыхорганизмов, живущих на Земле, всегда есть особи, несущие мутации. Многие годы до открытия искуственной индукции мутаций селекционеры и исследователи наследственности, включая Менделя и Моргана, использовали мутации этого типа. Ихназываютспонтанными.

Начиная с 1925 года, С.С. Четвериков и его молодые коллеги Б.Л. Астауров, Н.К. Беляев,С.М.Гершензон,П.Ф.Рокицкий,Д.Д. Ромашов в результате экспериментальной проверки природных популяций дрозофилы нашли в них большое число различных мутаций.Каждыйгенстойилиинойчастотой спонтанно переходит в мутантное состояние (Табл. 4.3) (см. также: Инге-Вечтомов, 1989, с. 302-303).

Причиныиндукцииспонтанныхмутаций не совсем ясны (см. Раздел 8.1.5). Долгое время полагали, что к числу индуцирующих факторов относится естественный фон ионизирующих облучений, образуемый доходящими до поверхности земли космическими лучами, гамма-излучением Земли и радиоактивными веществами (40Ê, 14С, Rn), поступающими в малых

количествах в организм из окружающей среды. Однако, как показали расчеты, для дрозофилы естественый радиационный фон может быть ответствен только приблизительноза 0.1%спонтанныхмутаций. Хотя, по мере увеличения продолжительности жизни организма воздействие естественного фона может накапливаться, и у человека от 1/4 до 1/10 спонтанныхмутацийможетбытьотнесеноза счет естественного фона радиации (Из: Гершензон, 1983, с. 237).

Второй причиной спонтанных мутаций являются случайныеповрежденияхромосом